NatureGenetics|頡偉／王海峰團隊等揭示X染色體失活及其調控機制

　　在哺乳動物中，雌性（XX）與雄性（XY）細胞具有性染色體二態性。為了平衡基因表達水平，在胚胎發育早期，雌性細胞內一條X染色體會發生轉錄失活（X chromosome inactivation，XCI）。X染色體失活異常，會引起嚴重的胚胎發育缺陷，多種人類智力缺陷疾病，甚至胚胎死亡。

　　因此，研究X染色體失活及其調控機制具有重要的科學意義和臨床價值。X染色體失活伴隨著劇烈的X染色質結構變化，最終呈現為凝縮的異染色質狀態，被稱為“巴氏小體”。 之前對體外小鼠胚胎干細胞（mESC）分化過程的研究發現，失活X染色體的拓撲結構域（TAD）和區室（compartment）結構都明顯減弱，同時出現了以宏衛星序列Dxz4為邊界的超級結構域（Dxz4-separated megadomains，D-megadomains）。

　　頡偉實驗室和合作者前期圍繞染色體三維結構在哺乳動物生殖和胚胎發育過程中的變化規律和功能進行了一系列研究，包括精子發生、卵子發生、著床前胚胎、著床后胚胎和核移植過程等。然而，染色體三維結構在雌性胚胎發育早期X染色體失活過程中的動態變化過程、機制和功能仍不清楚。

　　2024年9月10日，清華大學生命科學學院頡偉研究組、王海峰研究組與美國密歇根大學醫學院Sundeep Kalantry研究組合作，在 Nature Genetics 期刊發表了題為：Stepwise de novo establishment of inactive X chromosome architecture in early development 的研究論文。

　　該研究系統性描繪了小鼠胚胎失活X染色體三維染色質構象的從頭建立過程，其中首次報道了胚胎發育早期失活的X染色體呈現出一種特殊的染色質高級結構——X-megadomains，并深入探究了其形成的分子機制和參與平衡失活X染色體上必要基因激活和全局性轉錄沉默的潛在功能，為深入理解X染色體失活機制以及染色體高級結構與基因轉錄調控關系提供了重要參考。

　　小鼠胚胎發育過程中，X染色體失活受到精確而動態地調控。從4-細胞時期開始到囊胚期，父源X染色體發生特異地印記失活（Imprinted XCI）。之后，父源X染色體在胚外組織中維持印記失活狀態，而在胚胎細胞中，其首先被短暫地重新激活，然后父源或者母源X染色體發生隨機失活（Random XCI）。

　　在這項最新研究中，研究團隊利用他們之前開發的高靈敏sisHi-C技術，系統分析了從1-細胞胚胎到E9.5胚外組織以及E13.5胚胎細胞的X染色體三維結構，涵蓋了X染色體印記失活和隨機失活的建立和維持過程。

　　研究團隊發現，小鼠胚胎X染色體失活過程中TAD和compartment結構呈現出和mESC分化相似的減弱趨勢。但是在小鼠著床后胚胎的胚外組織中出現了一種獨特的以Xist位點為邊界的超級結構域，因此將其命名為Xist-separated megadomain（X-megadomains）。這一結構在胚內組織發生隨機X染色體失活的初期也短暫地出現。之前報道的D-megadomain則主要在胚胎發育后期出現，并只出現在部分小鼠品系中（圖1）。X-megadomains在體外培養的胚外內胚層干細胞（XEN）也存在，并且能夠被3D RNA/DNA FISH驗證。

　　研究團隊進一步發現，X-megadomains的形成與Xist基因上游調控區域（Xist Regulatory Region，XRR）的增強子活性以及黏連蛋白（Cohesin）結合具有很好的相關性。在XEN細胞中敲除XRR區域、沉默Xist表達或特異性誘導Cohesin降解，都會破壞X-megadomains，而降解CTCF對X-megadomains結構的影響較小。結合之前研究報道的組蛋白乙酰化可以通過乙酰化識別器BRD4進而招募Cohesin的裝載（loading）蛋白NIPBL，研究團隊提出了X-megadomains形成的分子機制：早期胚胎中Xist基因上游調控區域（XRR）高度活躍的增強子信號促進Cohesin在該區域大量裝載，導致Cohesin在附近區域大量積累，并通過環擠壓（loop extrusion）形成X-megadomains。

　　進一步研究發現，X-megadomains被破壞后，Xist位點附近基因和轉錄調控序列異常激活，提示Cohesin在Xist和XRR區域的富集可能使得附近活躍的DNA區域自我隔離，以阻止其轉錄活性向周邊區域擴散，從而避免周圍轉錄沉默基因的異常激活。因此，通過活躍增強子介導的Cohesin裝載和活躍基因的自我隔絕，細胞可以更好地維持失活X染色體上必要的基因激活和全局性轉錄沉默（圖2）。綜上所述，這一工作揭示了小鼠胚胎失活X染色體高級結構的從頭建立過程，以及其潛在的基因調控功能。

　　清華大學頡偉教授、王海峰助理教授和美國密歇根大學Sundeep Kalantry教授為論文共同通訊作者，清華大學生命學院博士后杜振海、2019級博士生胡梁俊、2018級博士生鄒卓寧和2019級博士生劉美鑠為論文共同第一作者。清華大學生命學院2022級博士生李梓晗、清華大學生命學院博士后盧緒坤、美國密歇根大學醫學院Clair Harris、重慶醫科大學教授向云龍、清華大學生命學院博士后陳鳳玲、于廣、許鍇和2022級博士生孔鳳也在該課題中做出了重要貢獻。